...王爽科普「解密」——諾獎得主發現的黑洞對地球會產生何種影響?

中大知名科普作家王爽科普「解密」——諾獎得主發現的黑洞對地球會產生何種影響？

金羊網  作者：陳亮  2020-10-12

羊城晚報全媒體記者採訪了中山大學物理與天文學院副教授、博士生導師、知名科普作家王爽，為讀者「解密」黑洞。

文/羊城晚報全媒體記者陳亮

圖/受訪者提供

當地時間10月6日，瑞典皇家科學院宣布，2020年度諾貝爾物理學獎獲獎者為英國數學物理學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）與德國天文學家萊因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）、美國天文學家安德裡亞·蓋茲（Andrea Ghez），總獎金為1000萬瑞典克朗（約合760萬人民幣），表彰他們在天體物理學領域的貢獻。

物理學獎系諾貝爾獎最重要的獎項之一，獲獎消息一出，立即引起學界和社會關注。今年的獲獎者分別發現黑洞的形成是對廣義相對論的有力預測，以及在銀河系中心發現了一個超大質量的緻密天體——黑洞。與黑洞相關的話題，一直是人們的興趣所在。為此，羊城晚報全媒體記者採訪了中山大學物理與天文學院副教授、博士生導師、知名科普作家王爽，為讀者「解密」黑洞。

2019年4月10日，事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope, EHT）項目組公布了人類歷史上拍到的第一張黑洞照片

A、銀河系中心超大質量黑洞首次被發現

羊城晚報：今年諾貝爾物理學獎獲獎者的主要成就是什麼？他們研究、探索的過程是怎樣的？

王爽：彭羅斯獲得了一半的獎金。他提出了著名的「奇點定理」，從數學上嚴格地證明，在愛因斯坦廣義相對論的框架下，質量足夠大的恆星一定會塌縮成黑洞。而在黑洞的中心，則會有一個集中了黑洞全部質量、密度無窮大的奇點。

根澤爾和蓋茲平分了另一半的獎金。他們首次發現在銀河系的中心有一個超大質量的緻密天體。他們通過研究一些特別靠近銀河系中心的天體的運動情況，證明了在銀河系中心，隱藏著一個質量比太陽大400多萬倍的龐然大物。從理論上講，這只能是一個超大質量黑洞。

羊城晚報：黑洞是什麼？它有哪些種類？

王爽：通俗地說，黑洞是宇宙中最恐怖的、連光也逃不出去的「監獄」。一個物體要想逃離地球，必須達到地球的逃逸速度，即11.2km/s。同理，一個物體要想逃離黑洞，就必須達到黑洞的逃逸速度。但由於特别致密，黑洞的逃逸速度比光速還快，如此就沒有任何物體能逃離黑洞。像這種逃逸速度超過光速、讓所有物體都逃不出去的緻密天體，就是黑洞。

按照物理特性，黑洞可以分為四類：1.史瓦西黑洞，也就是無自轉、不帶電的黑洞。2.賴斯納-諾德斯通黑洞，也就是無自轉、帶電的黑洞。3.克爾黑洞，也就是有自轉、不帶電的黑洞。4.克爾-紐曼黑洞，也就是有自轉、帶電的黑洞。

此外，目前已經發現的黑洞，還可以按照質量分為三類：第一類是恆星級的黑洞，其質量介於3倍太陽質量到100倍太陽質量之間。第二類是超大質量的黑洞，其質量至少是太陽質量的幾十萬倍，甚至是上百億倍。第三類是中等質量黑洞，質量介於前兩類黑洞之間。

B、諾獎得主發現的黑洞離我們最近

羊城晚報：銀河系正中心的天體被命名為人馬座A*，它與地球相距26000光年之遠，科學家是如何探知、研究它的？

王爽：最早發現人馬座A*的人，是美國天文學家布魯斯·貝裡克和羅伯特·布朗。他們通過觀測銀河系中心發出的無線電波，一舉確定了人馬座A*的準確位置。然後，就是今年獲得諾貝爾物理學獎的根澤爾和蓋茲。他們通過分析一些特別靠近人馬座A*的天體的運動情況，測出了人馬座A*的質量能達到太陽質量的400多萬倍。這個人馬座A*，也是宇宙中離我們最近的超大質量黑洞。

羊城晚報：研究並確定黑洞的存在，對於全世界來說具有怎樣的意義？在銀河系中心的超大質量黑洞會對地球造成什麼影響？

王爽：單純從科學上講，研究黑洞有三個非常重要的意義：1.黑洞提供了一個天然的實驗室，能用來檢驗愛因斯坦的廣義相對論是否正確。2.黑洞也提供了一個極佳的平臺，能讓理論物理學家鑽研統一量子力學和相對論的方法。3.能讓天文學家深入研究與黑洞有關的各種天體物理過程（包括吸積、噴流和併合），也能讓天文學家更好地理解星系的形成與演化。

地球位於銀河系郊區，與銀河系中心相距26000光年。由於銀河系中心黑洞與地球相距甚遠，所以它不會對我們的日常生活造成實質的影響。

C、黑洞是如何被科學家們發現的？

羊城晚報：在此之前，人類對黑洞的探索、認識都有哪些重要階段和成果？

王爽：早在18世紀末，英國物理學家約翰·米歇爾和法國大數學家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯就意識到，宇宙中可能存在逃逸速度超過光速的天體。這是黑洞最早的雛形認識。但米歇爾和拉普拉斯的理論，很快就被世人淡忘了。

1915年，愛因斯坦提出了廣義相對論。一年後，德國大天文學家卡爾·史瓦西算出了廣義相對論的一個精確解，稱為史瓦西解。這個史瓦西解描述的，就是一個無自轉、無電荷的黑洞。

由於愛因斯坦和英國大天文學家愛丁頓的強烈反對，很長一段時間，學術界一直把黑洞視為異端邪說。但是，錢德拉塞卡、巴德、茲威基和奧本海默等人在20世紀30年代所做的工作，都揭示大質量恆星死亡後有可能會塌縮成黑洞。

20世紀60年代初，紐西蘭物理學家羅伊·克爾找到了廣義相對論的另一個精確解，叫克爾解。克爾解描述的，是一個有自轉、無電荷的黑洞。

1967年，英國天文學家喬瑟琳·貝爾發現了緻密程度僅次於黑洞的中子星的存在。這讓人們開始認真思考黑洞存在的可能性。

同樣是在1967年，美國物理學家約翰·惠勒首次提出了「黑洞」這個名詞。從那以後，黑洞就成了物理學和天文學的熱點。

羊城晚報：還有哪些科學家對黑洞的發現以及探索作出了較為重大的貢獻？

王爽：在20世紀70年代，以色列物理學家貝肯斯坦，以及英國著名物理學家霍金，一起建立了黑洞熱力學。貝肯斯坦最早指出，黑洞具有溫度和熵。霍金則發現，黑洞可以對外散發熱輻射，也就是所謂的霍金輻射。

此外，在2019年4月10日，事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope, EHT）項目組公布了人類歷史上拍到的第一張黑洞照片。他們用一個有效口徑相當於地球直徑的射電望遠鏡陣列，拍到了位於M87星系中心的一個超大質量黑洞的照片。這也是一個諾獎級的工作。

羊城晚報：您還做了哪些與黑洞相關的科普工作？

王爽：2019年4月10日，天文學家發布歷史上拍到的首張黑洞照片，成了轟動全世界的新聞熱點。為了更全面、系統地科普黑洞知識，我在微博上發布了一個關於黑洞的原創圖文系列。系列由4篇科普文章構成，分別從4個不同的角度，向讀者科普了一些核心黑洞知識。系列發布當天，就上了微博熱搜，到目前為止，總閱讀量已經超過1700萬。由於這篇廣泛傳播和大受好評的科普圖文系列，我受到鳳凰衛視《世紀大講堂》的邀請，做了一場關於黑洞的科普講座。相關內容也寫進了我的《宇宙奧德賽》系列科普叢書。這兩本書已經被引進到香港和臺灣地區，豆瓣評分分別達到9.1和9.2，已成為豆瓣評分最高的本土科普圖書之一。

人物簡介：

王爽(上圖)，主要從事宇宙學研究，已在國際一流學術期刊發表SCI論文30多篇，總引用超過2000次。著有《宇宙奧德賽：漫步太陽系》《宇宙奧德賽：穿越銀河系》《給孩子講宇宙》《給孩子講相對論》等科普暢銷書，榮獲「第七屆中華優秀出版物獎圖書獎」「第六屆中國科普作家協會優秀科普作品獎金獎」「國家新聞出版署2018年向全國青少年推薦百種優秀出版物」「中國出版協會2017年度中國30本好書」等獎項。

編輯： 正龍